專利名稱：用于無線功率發(fā)射的發(fā)射器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及無線充電，且更具體來說涉及與便攜式無線充電系統(tǒng)相關(guān)的裝 置、系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
通常，例如無線電子裝置等每一被供電裝置均需要其自身的有線充電器和電源， 所述電源通常是交流(AC)電源引出口。此有線配置在許多裝置需要充電時變得不方便。正 在開發(fā)使用耦合到待充電的電子裝置的發(fā)射器與接收器之間的空中或無線功率發(fā)射的方 法。接收天線收集輻射的功率，且將其整流為用于對裝置供電或?qū)ρb置的電池充電的可用 功率。無線能量發(fā)射可基于嵌入在待供電或充電的主機電子裝置中的發(fā)射天線、接收天線 與整流電路之間的耦合。包含發(fā)射天線的發(fā)射器面臨沖突的設(shè)計約束，例如相對小的體積、 高效率、較少的材料清單(Bill Of Materials,Β0Μ)和高可靠性。因此，需要改進用于無線 功率發(fā)射的發(fā)射器設(shè)計以滿足各種設(shè)計目的。
圖1說明無線功率發(fā)射系統(tǒng)的簡化框圖。圖2說明無線功率發(fā)射系統(tǒng)的簡化示意圖。圖3說明根據(jù)示范性實施例的環(huán)路天線的示意圖。圖4說明根據(jù)示范性實施例的無線功率發(fā)射系統(tǒng)的功能框圖。圖5說明根據(jù)示范性實施例的無線功率發(fā)射器的框圖。圖6A到圖6B說明根據(jù)示范性實施例的包含波形的E類放大器。
圖7說明根據(jù)示范性實施例的經(jīng)加載不對稱E類放大器的電路圖。圖8說明根據(jù)示范性實施例的經(jīng)加載對稱E類放大器的電路圖。圖9說明根據(jù)示范性實施例的經(jīng)加載雙半橋放大器的電路圖。圖10說明根據(jù)示范性實施例的包含波形的濾波和匹配電路的電路圖。圖IlA和圖IlB說明根據(jù)示范性實施例的中間驅(qū)動器電路的電路圖。圖12說明根據(jù)示范性實施例的無線功率發(fā)射器的部分的電路圖。圖13是根據(jù)示范性實施例的用于發(fā)射無線功率的方法的流程圖。圖14說明根據(jù)示范性實施例的無線功率接收器的電路圖。
具體實施例方式詞語“示范性”在本文中用以意味著“充當實例、例子或說明”。本文中被描述為 “示范性”的任何實施例均不必理解為比其它實施例優(yōu)選或有利。下文結(jié)合附圖闡述的詳細描述希望作為對本發(fā)明的示范性實施例的描述，且并不 希望表示可實踐本發(fā)明的僅有實施例。貫穿此描述所使用的術(shù)語“示范性”意味著“充當實 例、例子或說明”，且不應必然將其解釋為比其它示范性實施例優(yōu)選或有利。出于提供對本 發(fā)明的示范性實施例的透徹理解的目的，詳細描述包含特定細節(jié)。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將 顯而易見，可在無這些特定細節(jié)的情況下實踐本發(fā)明的示范性實施例。在一些情況下，以框 圖形式展示眾所周知的結(jié)構(gòu)及裝置以免使本文中所呈現(xiàn)的示范性實施例的新穎性模糊不 清。本文使用術(shù)語“無線功率”來表示與電場、磁場、電磁場相關(guān)聯(lián)或在不使用物理電 磁導體的情況下以其它方式從發(fā)射器發(fā)射到接收器的任何形式的能量。本文將系統(tǒng)中的功 率轉(zhuǎn)換描述為對包含例如移動電話、無繩電話、iPod 、MP3播放器、頭戴式耳機等裝置無線 地充電。大體上，無線能量傳送的一個基本原理包含使用例如低于30MHz的頻率的磁耦合 諧振(即，諧振感應)。然而，可使用各種頻率，包含準許在相對高輻射等級下的許可免除操 作的頻率，例如在135kHz以下(LF)或在13. 56MHz (HF)。在射頻識別(RFID)系統(tǒng)通常使 用的這些頻率下，系統(tǒng)必須遵守干擾和安全性標準，例如歐洲的EN 300330或美國的FCC第 15部分標準。借助于說明而非限制，本文使用縮寫LF和HF，其中“LF”指代fQ = 135kHz且 “Hf” 指代 f0 = 13. 56MHz。圖1說明根據(jù)各種示范性實施例的無線功率發(fā)射系統(tǒng)100。將輸入功率102提供 到發(fā)射器104以用于產(chǎn)生用于提供能量傳送的磁場106。接收器108耦合到磁場106且產(chǎn) 生輸出功率110供耦合到輸出功率110的裝置(未圖示)存儲或消耗。發(fā)射器104和接收 器108兩者分開一距離112。在一個示范性實施例中，發(fā)射器104和接收器108是根據(jù)相 互諧振關(guān)系而配置，且當接收器108的諧振頻率和發(fā)射器104的諧振頻率匹配時，當接收器 108位于磁場106的“近場”中時發(fā)射器104與接收器108之間的發(fā)射損耗最小。發(fā)射器104進一步包含發(fā)射天線114以用于提供用于能量發(fā)射的裝置，且接收器 108進一步包含接收天線118以用于提供用于能量接收或耦合的裝置。發(fā)射天線和接收天 線是根據(jù)將與其相關(guān)聯(lián)的應用和裝置來定尺寸。如所陳述，有效能量傳送通過將發(fā)射天線 的近場中的能量的大部分耦合到接收天線而不是將能量的大部分在電磁波中傳播到遠場 而發(fā)生。在此近場中，耦合可建立于發(fā)射天線114與接收天線118之間。天線114和118周圍的此近場耦合可能發(fā)生的區(qū)域在本文稱為耦合模式區(qū)。圖2展示無線功率發(fā)射系統(tǒng)的簡化示意圖。由輸入功率102驅(qū)動的發(fā)射器104包 含振蕩器122、功率放大器或功率級124以及濾波和匹配電路126。振蕩器經(jīng)配置以產(chǎn)生所 需頻率，其可響應于調(diào)整信號123而調(diào)整。振蕩器信號可由功率放大器124以響應于控制 信號125的放大量而放大?？砂瑸V波和匹配電路126以對諧波或其它不希望的頻率進行 濾波，且將發(fā)射器104的阻抗與發(fā)射天線114匹配。電子裝置120包含接收器108，其可包含匹配電路132和整流與切換電路134以產(chǎn) 生DC功率輸出，以對如圖2所示的電池136充電或?qū)︸詈系浇邮掌鞯难b置電子元件(未圖 示)供電?？砂ヅ潆娐?32以將接收器108的阻抗與接收天線118匹配。如圖3中說明，示范性實施例中使用的天線可配置為“環(huán)路”天線150，其在本文也 可稱為“磁”、“諧振”或“磁諧振”天線。環(huán)路天線可經(jīng)配置以包含空氣磁芯或物理磁芯(例 如鐵氧體磁芯)。此外，空氣磁芯環(huán)路天線允許將其它組件放置于磁芯區(qū)域內(nèi)。另外，空氣 磁芯環(huán)路可更容易使得能夠?qū)⒔邮仗炀€118(圖2)放置于發(fā)射天線114(圖2)的其中發(fā)射 天線114(圖幻的耦合模式區(qū)可更有效的平面內(nèi)。如所陳述，發(fā)射器104與接收器108之間的有效能量傳送在發(fā)射器104與接收器 108之間的匹配或近似匹配的諧振期間發(fā)生。然而，即使當發(fā)射器104與接收器108之間的 諧振不匹配時，能量也可以較低效率傳送。能量的傳送通過將來自發(fā)射天線的近場的能量 耦合到駐留在建立此近場的附近的接收天線而不是將能量從發(fā)射天線傳播到自由空間中 而發(fā)生。環(huán)路天線的諧振頻率是基于電感和電容。環(huán)路天線中的電感大體上是由環(huán)路產(chǎn)生 的電感，而電容大體上添加到環(huán)路天線的電感以產(chǎn)生處于所需諧振頻率下的諧振結(jié)構(gòu)。作 為非限制性實例，電容器152和電容器IM可添加到天線以產(chǎn)生諧振電路，所述諧振電路產(chǎn) 生正弦或準正弦信號156。因此，對于較大直徑環(huán)路天線，感應諧振所需的電容的大小隨著 環(huán)路的直徑或電感增加而減小。此外，隨著環(huán)路天線的直徑增加，近場的針對“鄰近”耦合 裝置的有效能量傳送區(qū)域增加。當然，其它諧振電路是可能的。作為另一非限制性實例，電 容器可并聯(lián)放置于環(huán)路天線的兩個端子之間。另外，所屬領(lǐng)域的一般技術(shù)人員將認識到，對 于發(fā)射天線，諧振信號156可為對環(huán)路天線150的輸入。本發(fā)明的示范性實施例包含在處于彼此的近場中的兩個天線之間耦合功率。如所 陳述，近場是天線周圍的其中電磁場存在但可不從天線傳播或輻射離開的區(qū)域。其通常限 于接近天線的物理體積的體積。在本發(fā)明的示范性實施例中，例如單匝環(huán)路天線和多匝環(huán) 路天線等天線用于發(fā)射(Tx)和接收(Rx)天線系統(tǒng)兩者，因為可能包圍天線的環(huán)境的大部 分是介電的且因此與電場相比對磁場的影響較小。此外，還預期主要配置為“電”天線(例 如，偶極和單極)或磁天線與電天線的組合的天線。Tx天線可在足夠低的頻率下操作且具有足夠大的天線大小以實現(xiàn)在比早先提到 的遠場和感應性方法所允許的距離顯著更大的距離下與小的Rx天線的良好耦合效率(例 如，> 10% )。如果Tx天線經(jīng)正確地定尺寸，那么當主機裝置上的Rx天線放置于被驅(qū)動 Tx環(huán)路天線的耦合模式區(qū)內(nèi)(即，在近場或強耦合體系中)時可實現(xiàn)高耦合效率(例如， 30% )。如本文描述，“接近”耦合和“鄰近”耦合可能需要不同的匹配方法來使功率源/功率耗散器適應天線/耦合網(wǎng)絡。此外，各種示范性實施例提供用于LF和HF應用兩者以及 用于發(fā)射器和接收器的系統(tǒng)參數(shù)、設(shè)計目標、實施方案變型和規(guī)范。這些參數(shù)和規(guī)范中的一 些可例如按需要而變化以更好地與特定功率轉(zhuǎn)換方法匹配。系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)可包含各種優(yōu)先 權(quán)和折衷。具體來說，發(fā)射器和接收器子系統(tǒng)考慮可包含高發(fā)射效率、低電路復雜性，從而 帶來低成本實施方案。圖4說明根據(jù)示范性實施例的經(jīng)配置以用于發(fā)射器與接收器之間的直接場耦合 的無線功率發(fā)射系統(tǒng)的功能框圖。無線功率發(fā)射系統(tǒng)200包含發(fā)射器204和接收器208。 輸入功率Pmn提供到發(fā)射器204以用于產(chǎn)生由耦合因數(shù)k界定的主要非輻射性場與直接 場耦合206以用于提供能量傳送。接收器208直接耦合到非輻射性場206且產(chǎn)生輸出功率 PEXout以供耦合到輸出端口 210的電池或負載236存儲或消耗。發(fā)射器204和接收器208兩 者分開一距離。在一個示范性實施例中，發(fā)射器204和接收器208是根據(jù)相互諧振關(guān)系來 配置，且當接收器208的諧振頻率&和發(fā)射器204的諧振頻率匹配時，在接收器208位于由 發(fā)射器204產(chǎn)生的輻射場的“近場”中時發(fā)射器204與接收器208之間的發(fā)射損耗最小。發(fā)射器204進一步包含用于提供用于能量發(fā)射的裝置的發(fā)射天線214，且接收器 208進一步包含用于提供用于能量接收的裝置的接收天線218。發(fā)射器204進一步包含至 少部分充當AC/AC轉(zhuǎn)換器的發(fā)射功率轉(zhuǎn)換單元220。接收器208進一步包含至少部分充當 AC/DC轉(zhuǎn)換器的接收功率轉(zhuǎn)換單元222。本文描述各種發(fā)射器配置，其使用電容性加載的電線環(huán)路或多匝線圈從而形成諧 振結(jié)構(gòu)，所述諧振結(jié)構(gòu)能夠在發(fā)射天線214和接收天線218兩者經(jīng)調(diào)諧到共同諧振頻率的 情況下經(jīng)由磁場從發(fā)射天線214向接收天線218有效地耦合能量。因此，描述了在強耦合 體系中對電子裝置(例如，移動電話)的高度有效無線充電，其中發(fā)射天線214和接收天線 218緊密接近，從而導致通常高于30%的耦合因數(shù)。因此，本文描述由電線環(huán)路/線圈天線 和發(fā)射功率轉(zhuǎn)換單元組成的各種發(fā)射器概念。圖5說明根據(jù)示范性實施例的無線功率發(fā)射器的框圖。發(fā)射器300包含發(fā)射功率 轉(zhuǎn)換單元302和發(fā)射天線304。發(fā)射功率轉(zhuǎn)換單元302包含放大器306，其實例為E類放大 器，放大器306用以驅(qū)動發(fā)射天線304。濾波與匹配電路308提供對由放大器306產(chǎn)生的驅(qū) 動信號的負載匹配和/或濾波。應注意，如與E類放大器306相關(guān)而使用的術(shù)語“放大器” 還對應于“反相器”、“斬波器(chopper)，，或“功率級”，因為放大是高度非線性的，且主要目 的是產(chǎn)生用于無線功率的大體上未經(jīng)調(diào)制的信號。發(fā)射功率轉(zhuǎn)換單元302進一步包含振蕩器310，其產(chǎn)生到中間驅(qū)動器312的大體上 未經(jīng)調(diào)制的信號，中間驅(qū)動器312又驅(qū)動放大器306。振蕩器310可實施為穩(wěn)定的頻率源， 其提供具有50%工作循環(huán)的方波信號。中間驅(qū)動器312經(jīng)配置以提供用于控制放大器306 內(nèi)的晶體管(例如，M0SFET)的足夠驅(qū)動。振蕩器310、中間驅(qū)動器312和放大器306所需 的不同操作電壓由DC/DC轉(zhuǎn)換器314響應于輸入電壓316而產(chǎn)生。在一個示范性實施例中， 放大器306在13. 56MHz的頻率下接收振蕩器信號318，且將振蕩器信號放大到大約例如7 瓦的功率電平。圖5的示范性實施例提供基于減少數(shù)目的組件的實施方案，且由于固定的工作循 環(huán)操作而不需要額外的電路來控制工作循環(huán)。此外，圖5的示范性實施例可以單個晶體管 來實施，其由于E類操作所需的諧振負載網(wǎng)絡而帶來輸出信號上的低諧波含量。
此外借助于實施方案，為了設(shè)計放大器306和濾波與匹配電路308的E類實施方 案，用于放大器306的E類操作的天線輸入阻抗322和負載阻抗320的范圍需要特征化。本 文另外的圖式和描述揭示了用于確定那些阻抗的測量和建模。圖6A說明根據(jù)示范性實施例的配置為E類放大器的放大器。以適于無線功率發(fā) 射器的各種放大器配置的發(fā)射器的實例在例如13. 56MHz下操作。E類放大器320包含有源 裝置開關(guān)330、負載網(wǎng)絡332和說明為純電阻性負載的負載334。圖6A的E類放大器320 說明單端E類放大器。負載網(wǎng)絡332包含電感器Ll ；340、電容器Cl 338、電容器C2 336和電感器L2 334，且用以用有源裝置開關(guān)330在零電壓和零電流條件下切換的方式使電流和電壓波形 成形。這極大地減少了切換損耗，因為低效率的主要原因是在有源裝置開關(guān)330中發(fā)生的 功率損耗。另外，有源裝置開關(guān)330(通常為FET)的寄生電容(未圖示)用作電容器Cl 338 的一部分，因此消除了寄生電容的負面影響。圖6B說明E類配置中的有源裝置開關(guān)330的所得電壓和電流波形。在接通瞬時 (曲線的中心)，有源裝置開關(guān)330上的電流和電壓幾乎為零，從而導致減少的切換損耗。斷 開瞬時(曲線的末尾)情況相同，其中電壓僅在電流已為零時上升。A =
E類放大器306的組件可根據(jù)以下公式來確定 10
權(quán)利要求
1.一種無線功率發(fā)射器，其包括發(fā)射天線，其配置為諧振儲能電路，所述諧振儲能電路包含環(huán)路電感器和天線電容； 放大器，其經(jīng)配置以驅(qū)動所述發(fā)射天線；匹配電路，其可操作地耦合于所述發(fā)射天線與所述放大器之間；以及 電容器，其集成所述天線電容和匹配電路電容。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)射器，其中所述放大器配置為E類放大器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)射器，其中所述E類放大器配置為不對稱E類放大器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)射器，其中所述E類放大器配置為對稱E類放大器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)射器，其進一步包括集成放大器電感和匹配電路電感的電 感器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)射器，其進一步包括經(jīng)配置以驅(qū)動所述放大器的中間驅(qū)動ο
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的發(fā)射器，其中所述中間驅(qū)動器配置為諧振型中間驅(qū)動器或推 挽式中間驅(qū)動器中的一者。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)射器，其中所述匹配電路包括濾波電路。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)射器，其中所述發(fā)射天線包括墊片天線。
10.一種無線功率發(fā)射器，其包括發(fā)射天線，其配置為諧振儲能電路，所述諧振儲能電路包含環(huán)路電感器和天線電容； 放大器，其配置為用以驅(qū)動所述發(fā)射天線的雙半橋放大器；以及 電容器，其集成所述天線電容和所述放大器中的有源開關(guān)的結(jié)電容。
11.一種無線功率發(fā)射器，其包括放大器、發(fā)射天線以及可操作地耦合于其間的匹配電路；以及 電容器，其經(jīng)配置以包含所述天線的電容和所述匹配電路的電容。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的發(fā)射器，其進一步包括經(jīng)配置以包含所述放大器的電感和 所述匹配電路的電感的電感器。
13.一種用于發(fā)射無線功率的方法，其包括 通過匹配電路從放大器驅(qū)動發(fā)射天線；以及根據(jù)在與所述匹配電路共享的電容器中實現(xiàn)的發(fā)射天線電容來使所述發(fā)射天線諧振。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述驅(qū)動所述發(fā)射天線包括根據(jù)在與所述匹配 電路共享的電感器中實現(xiàn)的放大器電感來通過所述匹配電路從放大器驅(qū)動發(fā)射天線。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其進一步包括以諧振方式驅(qū)動所述放大器或以推挽 方式驅(qū)動所述放大器中的一者。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述放大器配置為E類放大器。
17.一種用于發(fā)射無線功率的方法，其包括將發(fā)射天線的諧振電容集成到包含匹配電路的電容的電容器中；以及 將所述發(fā)射天線驅(qū)動為諧振。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其進一步包括將放大器電感集成到包含所述匹配電 路的電感的電感器中。
19.一種無線功率發(fā)射器，其包括用于通過匹配電路從放大器驅(qū)動發(fā)射天線的裝置；以及用于根據(jù)在與所述匹配電路共享的電容器中實現(xiàn)的發(fā)射天線電容來使所述發(fā)射天線 諧振的裝置。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的發(fā)射器，其中所述用于驅(qū)動所述發(fā)射天線的裝置包括用于 根據(jù)在與所述匹配電路共享的電感器中實現(xiàn)的放大器電感來通過所述匹配電路從放大器 驅(qū)動發(fā)射天線的裝置。
21.一種無線功率發(fā)射器，其包括用于將發(fā)射天線的諧振電容集成到匹配電路的電容中的裝置；以及用于將所述發(fā)射天線驅(qū)動為諧振的裝置。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的發(fā)射器，其進一步包括用于將放大器電感集成到所述匹配 電路的電感中的裝置。
23.一種無線功率接收器，其包括接收天線，其包含并聯(lián)諧振器，所述并聯(lián)諧振器經(jīng)配置以響應于磁近場而諧振，且從所 述磁近場耦合無線功率；以及整流器電路，其耦合到所述并聯(lián)諧振器，所述整流器電路配置為多二極管整流器電路， 所述多二極管整流器電路包含至少一個基于參數(shù)而選擇的二極管，所述參數(shù)包含峰值重復 反向電壓、平均整流正向電流、最大瞬時正向電壓和結(jié)電容中的至少一者。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的接收器，其中所述至少一個二極管在1安培電流下展現(xiàn)約 50pF的結(jié)電容和約380mV的最大瞬時正向電壓。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的接收器，其中所述至少一個二極管包括經(jīng)配置以減少傳導 損耗的雙二極管。
全文摘要
一種無線功率發(fā)射器(300)包含發(fā)射天線(304)，所述發(fā)射天線(304)配置為包含環(huán)路電感器(480)和天線電容(CA)的諧振儲能電路。所述發(fā)射器進一步包含經(jīng)配置以驅(qū)動所述發(fā)射天線的E類放大器(306)，和可操作地耦合于所述發(fā)射天線與所述放大器之間的匹配電路(308)。所述匹配電路包括電感(LF)和電容(CF)。所述匹配電路的所述電感(LF)和所述放大器的電感(L2)可由單個電感器(478)實現(xiàn)。而且，所述匹配電路的所述電容(CF)和所述天線電容(CA)可由單個電容器(482)實現(xiàn)。所述接收器(608)包括包含并聯(lián)諧振器的接收天線(618)和包括至少兩個整流二極管的整流器電路(600)。
文檔編號H02J7/02GK102150340SQ200980135751
公開日2011年8月10日 申請日期2009年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月17日
發(fā)明者盧卡斯·西貝爾, 奈杰爾·P·庫克, 漢斯彼得·威德默 申請人:高通股份有限公司